基于PLC的離心風(fēng)機(jī)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫云輝，王 釗，肖 威，匡永江

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

基于PLC的離心風(fēng)機(jī)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫云輝，王 釗，肖 威，匡永江

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

本文根據(jù)離心風(fēng)機(jī)的控制要求，運(yùn)用離線(xiàn)設(shè)計(jì)，在線(xiàn)查表的方法設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PLC的模糊控制系統(tǒng)，并介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程與PLC實(shí)現(xiàn)的方法。實(shí)際應(yīng)用情況表明該模糊控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，較好地實(shí)現(xiàn)了控制要求。

PLC；模糊控制；離心風(fēng)機(jī)；MATLAB；ControlLogix5000

0 引言

污水處理廠污泥消化產(chǎn)生的沼氣經(jīng)脫硫處理后儲(chǔ)存在常壓沼氣柜中，需要經(jīng)過(guò)變頻器驅(qū)動(dòng)的離心式增壓風(fēng)機(jī)增壓至某一恒定壓力后供鍋爐等設(shè)備使用。因?yàn)殄仩t等用氣設(shè)備根據(jù)消化工藝的需要自動(dòng)啟停及調(diào)節(jié)燃?xì)饬?，所以增壓風(fēng)機(jī)的流量及使用數(shù)量需要不斷變化才能保證出口壓力恒定。由于離心風(fēng)機(jī)的出口壓力與流量是非線(xiàn)性的關(guān)系，并且多臺(tái)風(fēng)機(jī)并行運(yùn)行時(shí)曲線(xiàn)關(guān)系又發(fā)生復(fù)雜的變化，所以傳統(tǒng)控制方式很難做到壓力穩(wěn)定。

模糊控制是建立在人類(lèi)思維模糊性的基礎(chǔ)之上的，其優(yōu)點(diǎn)在于不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，而是運(yùn)用模糊理論、專(zhuān)家知識(shí)將人的經(jīng)驗(yàn)、思維和判斷通過(guò)模糊控制器用語(yǔ)言控制來(lái)實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程[1]。模糊控制能方便地解決工業(yè)領(lǐng)域中常見(jiàn)的非線(xiàn)性、時(shí)變、大滯后、強(qiáng)耦合、變結(jié)構(gòu)等復(fù)雜問(wèn)題[2]。PLC具有可靠性高、編程簡(jiǎn)單、維修方便的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，但是傳統(tǒng)的PLC控制指令不能滿(mǎn)足復(fù)雜的控制要求，因而利用PLC實(shí)現(xiàn)模糊控制是現(xiàn)代自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)之一。

1 模糊控制系統(tǒng)的構(gòu)成

圖1 離心風(fēng)機(jī)模糊控制結(jié)構(gòu)框圖

模糊控制器通常使用被控變量的偏差E和偏差變化率EC作為輸入變量，因?yàn)樗麄円呀?jīng)能夠比較嚴(yán)格地反映受控過(guò)程中輸入變量的動(dòng)態(tài)特性，可滿(mǎn)足大部分工程需要。為了避免控制動(dòng)作過(guò)于頻繁，消除頻繁動(dòng)作引起的震蕩，可以給系統(tǒng)增加一個(gè)死區(qū)算法，當(dāng)E位于死區(qū)內(nèi)時(shí)系統(tǒng)輸出保持不變?？刂破鞯妮敵霾捎迷隽渴?，可以避免風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化過(guò)快產(chǎn)生振動(dòng)。

整個(gè)模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分為兩步：離線(xiàn)設(shè)計(jì)與模擬部分運(yùn)用模糊理論，根據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)將系統(tǒng)變量模糊化，進(jìn)行模糊推理后去模糊化形成查詢(xún)表格，并通過(guò)仿真驗(yàn)證控制效果；PLC實(shí)現(xiàn)部分將查詢(xún)表格以數(shù)組的形式儲(chǔ)存在PLC中，并以一定的頻率計(jì)算E與EC，通過(guò)查詢(xún)表格計(jì)算輸出U作用于被控系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 模糊控制系統(tǒng)的離線(xiàn)設(shè)計(jì)

2.1 輸入輸出變量模糊化

為簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)定輸入、輸出論域都量化為5檔，即正大(PL)、正小(PS)、零(ZE)、負(fù)小(NS)、負(fù)大(NL)五級(jí)語(yǔ)言變量。根據(jù)控制需要及經(jīng)驗(yàn)，輸入變量E和EC及輸出變量△u的論域取值同為{-2，-1，0，1，2}，采用圖2所示的三角函數(shù)作為隸屬函數(shù)，將輸入輸出變量模糊化。

圖2 隸屬函數(shù)

2.2 選擇模糊規(guī)則，生成模糊查詢(xún)表

選擇模糊控制規(guī)則為：IF E is x AND EC is y ，THEN △u is z ，其中x、y、z分別為輸入輸出論域取值中的元素。由以上規(guī)則，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定模糊控制查詢(xún)表如表1所示。

表1 模糊控制查詢(xún)表

2.3 仿真模糊控制器輸入輸出

MATLAB 軟件是在1984 年由美國(guó)Math Works 公司推出的一套高效率的數(shù)值計(jì)算的可視化軟件，它提供了豐富的數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、圖像處理等功能，并且提供了大量的應(yīng)用于不同學(xué)科的工具箱[3]。利用其提供的模糊控制工具箱Fuzzy可以方便地查看模糊控制的輸入輸出曲線(xiàn)圖形如圖3所示。

由曲線(xiàn)圖形可以看到，模糊控制器可以很好的抑制E和EC的變化。

圖3 模糊控制器輸入輸出曲線(xiàn)圖

3 模糊控制的PLC實(shí)現(xiàn)

3.1 PLC查表功能的實(shí)現(xiàn)

把模糊查詢(xún)表存儲(chǔ)在PLC的一維數(shù)組DU[25]中，當(dāng)PLC計(jì)算出E與EC后通過(guò)查表程序找到對(duì)應(yīng)的數(shù)值DU[i]即為模糊控制器輸出△u。PLC采用AB ControlLogix5000，使用結(jié)構(gòu)化文本編程，基本查詢(xún)指令如下：

3.2 PLC在線(xiàn)控制程序

由圖1可知，PLC以一定的周期計(jì)算實(shí)際的誤差e(k)，然后經(jīng)過(guò)死區(qū)判斷后乘以量化因子Ke并模糊化后得到模糊控制器輸入?yún)?shù)E(k)，同樣采用類(lèi)似的方法得到EC(k)。根據(jù)E(k)和EC(k)的值查表得到模糊控制器的輸出△u(k)后，乘以輸出量化因子并解模糊得到實(shí)際增量輸出△U(k)。△U(k)即為本次控制變頻器的頻率增量，該數(shù)值加上當(dāng)前變頻器的反饋值即得到變頻器的頻率設(shè)定值。整個(gè)程序流程如圖4所示。

圖4 PLC控制流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)模糊控制技術(shù)與PLC的無(wú)縫接合，利用PLC實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的模糊控制，即發(fā)揚(yáng)了PLC控制系統(tǒng)靈活、可靠、穩(wěn)定的特點(diǎn)，又極大地?cái)U(kuò)展了PLC的控制功能，提高了系統(tǒng)的智能化程度。

利用ControlLogix5000 PLC的ADD-ON指令功能，可以將該模糊控制程序封裝成單獨(dú)的指令，方便編程使用。

[1] 劉曉霞, 等.用可編程控制器PLC實(shí)現(xiàn)模糊控制的方法研究[J]. 沈陽(yáng)工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 2003, 4.

[2] 齊蓉等. 通用模糊控制器在PLC上的實(shí)現(xiàn)[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置, 2003, 4.

[3] 李祖欣. MATLAB在模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真的應(yīng)用[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2003, 1.

Design and realization of a fuzzy control system for centrifugal blower based on PLC

SUN Yun-hui, WANG Zhao, XIAO Wei, KUANG Yong-jiang

TP273

B

1009-0134(2011)5(下)-0123-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).37

2010-12-29

孫云輝（1984－），男，山東青島人，在讀研究生，主要從事工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成方面的應(yīng)用與研究工作。